基于单片机的简易数字频率计设计报告

1、1 / 26贵州大学GUIZHOU UNIVERSITY基于单片机的简易数字频率计设计报告课程设计名称：近代电子学实验_设计项目名称：简易数字频率计设计_专业班级：电子信息科学与技术 08 级 1 班2 / 26参与成员设计一个自动量程数字频率计，其要求如下：显示位数：6位，最大显示数999999。自动量程要求：计数器大于999999时（溢出）量程自动升高 设计要求一档，输入被测电压：1Hz-1MHz方波或正弦波，幅度为10mv-3v（有效值）。测量原理：原理图如如图1-1所示图简易频竿计原理图*J位时间内对待测信号的脉冲边沿（上升沿或下降沿）进行计数， 频率测量的硬件电路如图所示，其主要由以

2、下几部分组成：分频 控制电路、单片机控制部分、计数与显示电路。单片机控制部分 主要完成测量过程的设计题目简易数字频率计的设计计过程数选择器单屮片屮机频率测量部分：本设计方案的样采用常规的测量方法， 即在单1D分频屮UX）分频3 / 26控制、测量结果的处理和显示。单片机选用AT89C52，其中P3.1（T1）用于输入待测信号，一次计数完成 后，单片机对计数值进行运算处理，并送往8位锁存器74LS273。AT89C52 P0口用于和74LS273相连，LED数码管显示与锁存器 端口电平相对应的数字。如图1-1所示，待测频率信号经放大、 整形后输入到单片机AT89C52的T1引脚（AT89C52T

3、1的内 部集成了二个16位定时/计数器T0和T1， 当对外部脉冲进行计 数时， 外部脉冲接T0/T1） 。但是，对于工作在12MHz晶振下 的AT89C52来说，能识别的最高频率为机器周期的1/2，也就 是晶振的1/24，因此，当待测频率高于500K时，需要对待测 频率进行分频。分频的常用方法是利用计数器，本方案中用了两 片十进制计数器74LS90进行10分频和100分频。被测频率的 数据经AT89C52的输出口送到LCD显示器或数码显示管显示， 当需要显示复杂图形或字符时应选择LCD显示器（本设计方案 中对用数码管显示和用LCD显示器显示都进行了设计），数据显 示方面，对于数码管而言，可用动

4、态扫描和锁存输出，为了保证 数据显示时的稳定性，本方案中的数码管显示部分采用了锁存输 出的方式。对于LCD显示器而言，则需要靠编程实现。在量程 精度和附加功能方面的设计，本方案采用了6个7段数码管显示数据，测量范围为1Hz-10MHz，共分为三档。第一档测量范围为1Hz-100KHz第二档测量范围为100KHz-1MHz第三档测量范围为1MHz-10MHz刷新时间为1S。4 / 26脉宽测量部分：利用定时器的方式 寄存器TMOD的D7位(GATE)的特殊功能，当GATE为低电平时，只要TCON中 的TR0/TR1为1，计数器就开始计数，当GATE为高电平时，计数器T0、T1计数运行控制位TR0

5、、TR1为高仍不能计数， 还需要INT0/INT1上的电平为高才能使计数器工作， 由此可知，当GATE=1和TR0/TR1 = 1时，计数器是否计数取决于INT0/INT1引脚的信号，INT0/INT1由0变1时开始计数，由1变0时停止计数，这样就可以用来测量INT0/INT1端出现的 脉冲宽度。原理图分解为如下几部分1.放大整形电路如图1-2所示图1-2放大整形电路其中，放大部分由集成运算放大器构成的反向比例运算电路实现，放大倍数Au=R4/R3=10，当然，这可以通过调整电阻R35 / 26和R4的值来满足实际需要。整形部分仅由一个与门构成，与门 的一端接高电平，另一端接输入信号，当输入信

6、号的幅值高于与 门的阈值电压时，在与门的输出端将会得到高电平。 反之，输出 低电平，从而实现了波形变换。下图为放大整形的仿真截图: 输入正弦波的幅值为200mV，频率为10kHz，从上到下依次为如图1-3所示dll-.i1Cm1/-11iFTVWll-lFmmonAAri iVnWumuJTLTLTijrintiiiel D原信号、放大后信号、整形后的信号:-Digital Oscil osoopeliquid B Chi2.分频电路Inutfl& C D円驯津n6 / 26图1-3分频电路分频电路是由两片74LS90、和一片74LS153实现的，单片机AT89C52初始时从P1.0和

7、P1.1输出P1.1=0,P1.0=0，此时 将从74LS153的output端输出未经分频的信号，当AT89C52检测到脉冲频率高于100KHZ时，置P1.1=0，P1.0=1，此时将 从74LS153的output端输出经十分频的信号，当AT89C52检 测到脉冲频率高于1MKHZ时，P1.1 = 1，置P1.0=0，此时将从74LS153的output端输出经一百分频的信号，从而实现了对更 大频率范围的测量。下图为分频电路的仿真截图：输入信号为100Hz，从上到下依次为原信号、10分频后的信号、100分频后的信号。uttpOu*QEU-lA 0 1 2-u 1 2 3 0 12 3 X

8、X X X X X X X1 11-3 19 0 1121220 0 9 9 F F FLL0 12 3 Q Q a QH-J一7 / 263.显示及锁存电路如图1-4所示图1-4显示、锁存电路显示、锁存部分的电路是由6片74LS273和6个7段数码管构成的，AT89C52把记录的数据分解为最高位、次高位.最低C 0Ch.iimel r?-J2J-J - arsOTVGCursorsSrtIJiroL电申店0七liaimdR Qi mnl D？np?讣p? i: mP2-48 / 26位，然后分时送往数据总线P0口，再由P2口发出的锁存信号 依次将其锁存，最后由数码管把各锁存的数字对应显示出来

9、， 小数点的变换是通过AT89C52的P1.2、P1.3、P1.4来控制的， 其原理与分频电路的控制相似，故不再赘述。简易频率计的整体电路图如图1-5所示图1-2简易频率计电路图频率测量部分：AT89C52单片机上电后，工作于等待状态， 当检测到频率测量按键（freq）按下时，开始进行测量，即转到 频率测量的程序去执行，用AT89C52的定时/计数器T0进行定 时，每次定时时间为10ms,每定时10ms,单片机响一次应中断， 当中断计数满100次，IT T乃rmilllllIISI9 / 26也就是定时满1s时，单片机对所计得的 数进行加工并送往锁存器锁存，再由数码管读锁存器，将所测频 率显示

10、出来，此后，等待下一次数据送来时进行刷新，当检测到 待测频率太高而无法显示时，将从单片机的P1.0和P1.1口输出 两个控制信号， 两个控制信号连接到74LS153 （双四选一数据选 择器）的选择端A和B，通过控制P1.0和P1.1来实现对待测频 率的分频。脉宽测量部分：当检测到脉宽测量按键（pwide）按下时，转到脉 宽测量程序去执行，同样利用单片机的定时/计数器进行测量， 当检测到INT0引脚为高电平时，定时器开始计数（定时器可以 看作是对机器周期的计数， 当晶振为12MHz时， 定时器每接收 一个脉冲的时间为1us），当检测到下降沿时，单片机响应中断， 计数停止，AT89C52对所计得的

11、数进行加工并送往锁存器锁存， 再由数码管读锁存器，将所测脉宽显示出来。程序部分：程序部分的设计主要是为了和硬件电路相结合，正确地实现更高 精度测量。整个系统软件的设计采用了自顶向下的模块化的结构 方式，将各个功能分成独立模块， 由系统的程序统一管理执行。它主要完成各种功能，如测量、数据运算、显示等。如图1-2所示为频率测量主程序的粗略流程图。10 / 26锁存显示存图1-3频率测量主程序的流程图部分测量结果如下图所示测频部分：1.被测正弦信号频率为1Hz,幅值为200mV时: Sine Generator Properties等待,J- r_丨| Frec/pwid电二0*1頻率決蜃1r|屮何

12、ea=o孑科齊励源容称：W-拟类型-DC正眩?麻冲C分股线型脉冲个文件C音频C1SSflj上鈕4 勞e-j?rarpwid牝-iiTiU1UH-TFE12/26显然，此时由于所测频率过小，没有显示出误差2.被测方波信号频率为123Hz时:13 / 26显然，此时也是由于所测频率过小，没有显示出误差。3.被测正弦信号频率为12.345KHZ，幅值为1V时:确定回取消（Q元件哲考回：r隐藏：厂元件值吵隐藏：rClock Fiequercy:123Hz|ShMAi All二|Initial SialsLw2|Hide AllOthei Pioperti&s；ME-MHE-IHM芦M34IF:

13、?|3-4町抚圖;.二忙盂pflffB-fpfffl-IF* F F鼻BissstSi iASSISSI.SiS&ISEEIS* a sasasb肓d sASS SSELSi itS&Esat SiHR14 / 26Sire Generator Properties显然，此时还是由于所测频率过小，没有显示出误差l檯拟类型DC倉正弦C-M/营段绕型脉冲?文件 音频单频FM冬Easy HALCHf绘t Volts):卩囹Amplitude(VoKs):令帽度：1W值C有效值：时阎：频聿H汀12 345k?周期砂tCyctes7Gfaph：ult品一177777577 =zK3M m

14、m:P15J-II貫FM4*3P-：-#r-jFtMirra4T百FJ v-8 -B-B4E4#Pmr4FDD* *丄-Toe-15 / 264.被测信号频率为567.890KHZ时:元件蜃考吵 元件值血Clack Frequency:Initial StdbecOther Properties;沁1RMMtMLIMI阳 g!汕:rTiM-JRliTravrnr齢 IFZlAKU Si科孙F幷血TPBJtjn pjviPutJMHTU7Rji.|RAJCM-=TS:：i：iii jtJjTi皿FJM1厂FL.TF-j.T*nr-TT n-F!SITF-RC4f：:b20 / 26镰笹元些元件卷

15、考（St元件值IS隐嶽隐藏:ClockFrequency：Initial States|lOHz|stioiwAll | Low_J |HiideAll |Other Pnopertie sc0ah d5aoaaa&t ?9&机砒雅 百占甘目占咅玄吕d!aasafiE dE書白占目昌包吕Alaaaa& dS半匕即.=K砂r r . hltVT“-mr-21 / 26U2CKA1ODC金麻冲分段线型脉冲?文件音频?指数C至频FM53TE：-8RWJRg咤j显然，此时由于所测信号频率过小，没有显示出脉宽的误差2.输入200Hz的方波时:22 / 26元件蚩考世）：元件值M：

16、Clock Frequency;Initial StatsOther Properties： |W|.freq户”丝pwidE3D活f-ATMIXTWUR1Ti殆V- .F3FME* EFiF-i-niJP/J洛PiJTJ y 耐 tuN-iilMiFIJ*JJ*11血PlJ-INT PJfTi iPJNTTHJI4M-W23 / 26Pulse Generator Properties做励源名称;_购waai崑拟类型DCz正強 余*；中C分段线型脉冲?文件频FMAKTK.MD*庐口叫町晦PDS!AKi2仙Z7-iS:戸冈uenoyPulbe：Wi：dth19XTALI口JHa.4S.AJpj

17、-nrrrP3JST1*3.iWSLSTiNFjooMUifri terns.IOHU F IT1EHZX32MZK1 zr zm1X3ia1X1ivi血1i三 11 =77 mTET4LSSWM1)WHSPHDRgTECJ05000胁冲宽度：4脉冲宽席t500u囹r*i-PZU-iiBJ坯 ?J.iiTMi町 MIT 卜 4Ti 冲 mFJJ4TPJffFiiir此时由于所测信号频率过小，没有显示出脉宽的误差rI If r r ! n rU1IWUM-aiiU iFLT26 / 26频率较大的话，误差也会增大。现在的频率计朝着高精度，微型 化，多功能方向发展。简单的单片机和数字电路已经不能适应这 种变化，现代化频率计设计更多的采用精度较高，运算较快的FPGA类芯片，这就要求频率计设计者们要创新思维、 与时俱进。本次设计我们也初步学习了单片机的基础知识和基本性能。 单片机作为微型计算机的一个重要分支，以其独特的结构和性能 越